基于正交試驗(yàn)聚酰亞胺摩擦學(xué)性能分析

閻紅娟，崔 皓，司麗娜，劉峰斌，袁美霞

（1.北方工業(yè)大學(xué)機(jī)械與材料工程學(xué)院，北京 100144；2.北京建筑大學(xué)機(jī)電與車(chē)輛工程學(xué)院，北京 100044）

引言

針對(duì)保持架在實(shí)際運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中存在的磨損問(wèn)題，利用正交試驗(yàn)方法研究了多因素耦合對(duì)聚酰亞胺摩擦學(xué)性能影響，利用極差和方差分析法研究各因素的主次順序和顯著性，在此基礎(chǔ)上揭示了聚酰亞胺磨損機(jī)理，為空間軸承保持架的實(shí)際應(yīng)用提供理論支持[1]。

1 實(shí)驗(yàn)方法

1.1 實(shí)驗(yàn)原料及制備

聚酰亞胺材料購(gòu)買(mǎi)于上海合成樹(shù)脂研究所，外圓直徑為Φ42 mm，內(nèi)孔直徑為Φ22 mm，厚度為5 mm。潤(rùn)滑油選用4129 軸承潤(rùn)滑油，40 ℃時(shí)運(yùn)動(dòng)黏度60 mm2/s，閃點(diǎn)為270 ℃，凝點(diǎn)為-57 ℃。

1.2 摩擦磨損試驗(yàn)及表征

使用移液器將潤(rùn)滑油滴到試樣表面，靜置12 h潤(rùn)滑油充分浸入聚酰亞胺試樣。使用CFT-1 型多功能材料表面性能綜合測(cè)試儀對(duì)聚酰亞胺試樣進(jìn)行往復(fù)摩擦磨損試驗(yàn)，對(duì)磨球材料為GCr15，直徑為Φ6 mm，往復(fù)實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)度為5 mm，實(shí)驗(yàn)時(shí)間為30 min，潤(rùn)滑條件、法向載荷、往復(fù)頻率按照正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)參數(shù)[2]。使用Pulisite 華志PTY-224/323 電子天平測(cè)量摩擦試驗(yàn)前后的試樣質(zhì)量，使用奧林巴斯LEXT OLS4100 激光掃描顯微鏡觀察磨痕形貌，在磨痕不同位置測(cè)量磨痕截面輪廓，重復(fù)3 次計(jì)算平均值，作為磨痕截面積A，磨損體積V 為：

V=A×L （1）式中：A 表示磨痕截面積，L 表示實(shí)驗(yàn)往復(fù)長(zhǎng)度。

由磨痕體積根據(jù)經(jīng)典磨損方程計(jì)算磨損率W：

式中：V 表示磨損體積（mm3）；d 表示滑動(dòng)距離（m），d=L×2×f×t，f 表示摩擦往復(fù)頻率；F 表示法向載荷（N）。

1.3 正交試驗(yàn)方案

使用正交試驗(yàn)方法研究多因素耦合對(duì)聚酰亞胺摩擦學(xué)性能影響，建立五因素四水平L16(45)正交試驗(yàn)表，其中D、E 元素為空列。

根據(jù)正交試驗(yàn)方案進(jìn)行摩擦磨損試驗(yàn)，每種試驗(yàn)條件重復(fù)3 次，以摩擦系數(shù)、磨損率等為評(píng)價(jià)指標(biāo)，利用極差和方差分析法研究各個(gè)因素對(duì)聚酰亞胺摩擦學(xué)性能的影響主次順序、水平、顯著性等。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 極差分析結(jié)果

由表1 中極差R 分析可知：以摩擦系數(shù)為考察指標(biāo)時(shí)RA>RB>RC，因此影響聚酰亞胺材料摩擦系數(shù)主次順序是潤(rùn)滑條件、法向載荷、往復(fù)頻率。以磨損率為考察指標(biāo)時(shí)RA>RC>RB，因此影響聚酰亞胺材料磨損率因素的主次順序?yàn)闈?rùn)滑條件、往復(fù)頻率、法向載荷[3]。

表1 摩擦試驗(yàn)數(shù)據(jù)極差分析

為了能更直接的表現(xiàn)出試驗(yàn)各個(gè)因素對(duì)摩擦系數(shù)的影響規(guī)律和趨勢(shì)，根據(jù)數(shù)據(jù)繪制因素水平趨勢(shì)圖，圖1、b、c 是以摩擦系數(shù)為考察指標(biāo)的潤(rùn)滑條件、法向載荷、往復(fù)頻率水平變化趨勢(shì)圖。從中可以看出各因素水平不同時(shí)摩擦系數(shù)的變化，摩擦系數(shù)最小的各因素 水 平 分 別 為：A4B4C2，即潤(rùn)滑條件為30 μl，法向載荷為20.0 N，往復(fù)頻率為1 400 次·min-1。摩擦系數(shù)最大的各因素水平分別為A1B1C1，即潤(rùn)滑條件為干摩擦，法向載荷為12.5 N，往復(fù)頻率為1 200 次·min-1。

圖1 因素水平變化趨勢(shì)圖

圖2a、b、c 是以磨損率為考察指標(biāo)時(shí)潤(rùn)滑條件、法向載荷、往復(fù)頻率水平變化趨勢(shì)圖。從中可以看出各因素水平不同時(shí)磨損率的變化，磨損率最小的試驗(yàn)條件為：A4B4C4，即潤(rùn)滑條件為30 μl，法向載荷為20.0 N，往復(fù)頻率為1 800 次·min-1。磨損率最大的各因素水平分別為A1B1C1，即潤(rùn)滑條件為干摩擦，法向載荷為12.5 N，往復(fù)頻率為1 200 次·min-1。

圖2 各因素水平變化趨勢(shì)圖

以摩擦系數(shù)和磨損率最小為考察指標(biāo)，影響因素潤(rùn)滑條件和法向載荷的水平一致，均為A4B4，即潤(rùn)滑條件為30 μl，法向載荷為20.0 N。根據(jù)綜合平衡法往復(fù)頻率對(duì)磨損率影響較大，因此以磨損率為指標(biāo)選擇往復(fù)頻率水平C4，即往復(fù)頻率為1 800 次·min-1。因此，摩擦系數(shù)和磨損率最小時(shí)，試驗(yàn)條件為：A4B4C4。

以摩擦系數(shù)和磨損率最大為考察指標(biāo)，兩個(gè)指標(biāo)的分析結(jié)果一致，均為A1B1C1，即潤(rùn)滑條件為干摩擦，法向載荷為12.5 N，往復(fù)頻率為1 200 次·min-1。

2.2 方差分析結(jié)果

計(jì)算各因素的偏差平方和、誤差平方和、自由度、均方值、統(tǒng)計(jì)量F 值填入表2、表3 中，影響聚酰亞胺材料摩擦系數(shù)和磨損率主次順序與方差分析結(jié)果相同，其中潤(rùn)滑條件對(duì)摩擦系數(shù)影響顯著。

表2 摩擦系數(shù)為指標(biāo)方差分析表

表3 磨損率為指標(biāo)方差分析表

3 結(jié)論

選用潤(rùn)滑條件、法向載荷、往復(fù)頻率作為影響因素，設(shè)計(jì)了三因素四水平正交試驗(yàn)，以摩擦系數(shù)和磨損率為考察指標(biāo)，使用極差分析法分析了影響因素的主次順序，使用方差分析各因素影響的顯著性[4]。

利用綜合平衡法分析多目標(biāo)優(yōu)化試驗(yàn)條件，摩擦系數(shù)最小的各因素水平分別為：A4B4C2；以磨損率為考察指標(biāo)時(shí)，磨損率最小的試驗(yàn)條件為：A4B4C4；根據(jù)綜合平衡法往復(fù)頻率對(duì)磨損率影響較大，因此以磨損率為指標(biāo)選擇往復(fù)頻率水平C4。當(dāng)摩擦系數(shù)和磨損率最小時(shí)，試驗(yàn)條件為：A4B4C4，即潤(rùn)滑條件為30 μl，法向載荷為20.0 N，往復(fù)頻率為1 800 次·min-1，磨損機(jī)理主要是磨粒磨損。利用方差分析法分析了各因素影響顯著性，其中潤(rùn)滑條件對(duì)摩擦系數(shù)和磨損率影響顯著。